新型數字變電站電能計量誤差檢測方案與設計

劉忠琛 朱瑞民

（國網晉中供電公司，山西 晉中 030600）

新型數字變電站電能計量誤差檢測方案與設計

劉忠琛 朱瑞民

（國網晉中供電公司，山西 晉中 030600）

在IEC 60044-7/8標準和IEC 61850-9-2LE標準的基礎上，基于IEC 61850-9-2LE標準，充分考慮了當前數字變電站的現狀，采用高速穩定的硬件方案，對模擬和數字電能計量進行誤差測量，可以很好的適應現場測試，該方案保證了傳輸數據的準確性、實時性以及測量計算的準確性。

IEC 61850；標準；數字變電站；電能計量

隨著通信技術、電子式互感器技術、數字化保護及測控技術的快速發展，數字化變電站技術研發和工程實踐取得了大量的成果和經驗，對變電站自動化系統的各方面將產生深遠的影響。在數字化變電站的計量系統中，數字電能表的原理和接口方式都發生了根本性的變化，傳統的檢驗設備和技術已經不能滿足數字電能表的檢驗要求。而國內當前正處于由傳統模擬表向新型數字表變革的過度期，國內的大部分數字變電站還處于模擬和數字電能表同時在線使用的狀態，因此，研發一臺既可以對現場的數字電能表的誤差進行檢測并分析電能質量，又可以對傳統模擬電能表進行檢驗并將結果遠程發送到用戶的上位機軟件的實時在線監測裝置是非常有必要的。

1 采用模擬和數字電能誤差及電能質量在線檢測的意義

1）實現傳統電能計量裝置的誤差的實時在線監測，其中包括電能表誤差、電能質量監測等功能，可大大降低電能計量檢定人員的工作強度，提高工作效率。

2）同時也可以實時在線監測電網運行狀態下的數字電能表的電壓、電流、頻率、功率因數、有功功率、無功功率、波形、諧波等參量，對電能質量進行分析并對數字電能表的誤差進行在線檢測。

3）可將現場實時測量的各種電參量存入網絡服務器中進行遠程發送，便于用電管理部門實時監測及查詢、提高電能計量管理水平。

2 硬件設計

數字和模擬電能計量的誤差監測裝置主要包括現場模擬數據采集層、數字光信號采集層、通信傳輸層、數據管理層、界面顯示部分及鍵盤輸入部分組成。組網方式有光纖、無線兩種方式。

1）現場模擬數據采集層由模擬采樣部分和數據處理部分組成，可對實時輸入的模擬電信號進行采樣，通過接入模擬電能表的脈沖信號對被測表的誤差進行計算，同時也可對電能質量進行分析，并將結果及時的顯示出來。

2）現場數字數據采集層由光纖、光路由、光電模塊、數據處理等組成，可對輸入的數字信息進行解析，通過獲取被測數字表的脈沖信號計算誤差，同時通過對波形的計算進行分析電能質量，同時將誤差數據及分析結果顯示出來。

3）通信傳輸層由無線通信模塊組成，可對當前采集到的實時模擬或數字信號、電能質量分析結果及被測表實時誤差值通過無線的方式進行近程或遠程傳輸。用戶可以實現在遠端 PC對現場進行實時監測及分析。

4）數據管理層由存儲設備及上位機管理軟件組成，可以對采集到的模擬和數字信號及電能質量分析結果進行保存。用戶可以隨時讀取存儲的內容對之前保存的數據并使用上位機軟件對之前的電能質量進行分析和在線監測。上位機軟件也可以同時對遠程傳輸的數據進行實時分析和監測。系統工作框圖如圖1所示。

圖1 綜合誤差測試原理圖

5）界面顯示部分負責對計算結果進行顯示。

6）鍵盤輸入部分主要作用為界面的切換部分參數設置的輸入。

3 軟件設計

軟件設計主要包含數字量采集、模擬量采集及電能質量計算3個部分。

1）數字量采集涉及到光信號的采集，數字協議解析，數字量波形的提取及整合三個部分的內容，光纖信號采集模塊采用符合IEC 61850標準要求的光口模塊對光信號進行采集，并通過軟件解碼對網絡協議進行分離，并將得到的數字內容進行計算，數字部分軟件設計流程圖如圖2所示。

圖2 數字部分軟件設計流程圖

2）模擬部分中，模擬部分負責對采集到的模擬量進行處理，并整合為完整的波形數據進行計算，最后將采集到的數據進行計算，得出對應電能并計算誤差，模擬部分軟件設計流程圖如圖3所示。

圖3 模擬部分軟件設計流程圖

3）電能質量計算部分是通過數字和模擬的波形進行一系列高速計算，得到需要的電能質量數據。它包括數據波形還原修正及相關的電能質量計算、比差計算及角差計算三個部分。數據波形修正及相關的電能質量計算在這里不做詳述。

（1）比差計算方法如下：

在這里默認模擬采樣為標準值，此定義僅涉及二次電壓的額定頻率分量，未考慮直流電壓分量。

（2）角差計算方法如下：

假設被測合并單元的額定延時為tdr，如果這時DSP根據同步波形計算的實際相位差為那么角差就可以根據下式得

式中，f電網的基波頻率。

關于合并單元的綜合誤差計算，可以通過和數字部分一樣的方式進行求出，表示為，此時，就可以求出合并單元的誤差為

以上式及定義參考《GB/T 20840.7—2007》互感器 第7部分和《GB/T 20840.8—2007》互感器第8部分。

4 系統功能特點

1）現場安裝安全、方便，不破壞現場測量回路。

2）現場安裝裝置體積小，可以直接安裝在室內儀表屏內。

3）每路電能表誤差可同時接入二路脈沖（電能表的有功和無功脈沖）。

4）實時測量交流電壓、交流電流、功率、頻率和相位等電參量。

5）在線監測模擬電壓和電流的波形及諧波，諧波測量范圍2～31次。

6）通過解析數字協議獲取波形數據并計算出當前數字信號中的交流電壓、交流電流、功率、頻率和相位等電參量。

7）在線監測數字電壓和電流的波形及諧波，諧波測量范圍2～21次。

8）可以分別對模擬電能質量和數字電能質量進行分析。

9）能通過網絡遠程設置參數并查看實時測量數據以及歷史測量數據。

10）每臺設備都配有看門狗功能，保證系統可靠運行。電能計量回路現場運行出現故障時可自行復位并恢復現場。

5 現場測試數據分析表（見表1）

表1 現場測試數據分析表

6 結論

本文圍繞山西晉中市220kV智能變電站從數字信號的獲取、數字信息傳輸及數字電能計量等技術的應用角度詳細分析和測試了技術方案，并對出現的新的技術問題進行了深入思考，尤其是對現場數字電能計量設備的測量及數字信號的檢測方面做了大量的試驗及測量，在數字協議、電壓、電流、頻率、相位及電能誤差的現場檢測方面有著非常重要的意義，對智能變電站建設做了極具應用價值的探索。

實驗證明，本文設計的測試方案合理、先進，高度適應于當前國內數字站的現狀，設備在高度集成化的情況下，盡可能考慮了用戶使用的方便性及便攜性，同時也能夠保證采樣數據實時傳輸及計算的準確。

［1］陳維千.數字化變電站技術叢書.中國電力出版社，2010.

［2］高翔.數字化變電站應用技術.中國電力出版社，2008.

［3］GB/T 20840.7—2007.互感器 第7部分：電子式電壓互感器.

［4］GB/T 20840.8—2007.互感器 第8部分：電子式電流互感器.

表1 福建電網2014年繼電保護遠方操作統計

實施繼電保護遠方操作前后操作用時見表 2。繼電保護遠方操作前的操作時間含運維人員往返變電站的車程，調控專業與變電運維專業操作配合耗時等。實現繼電保護裝置遠方操作后操作時間大幅減少，大幅提高設備停役期間檢修作業實際有效時長。

表2 繼電保護遠方操作前后操作用時對比

4 結論

基于本文研究，得出如下結論：

1）采用繼電保護遠方操作能有效緩解電網輸變電規模快速增長與生產承載能力之間的矛盾。避免了變電運維人員和繼電保護技術人員頻繁往返于各個變電站之間，有效提高工作效率。

2）采用本文技術，能有效解決安規所規定的繼電保護遠方操作“雙確認”。

參考文獻

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作者簡介

鄧 勇（1978-），男，碩士研究生，高級工程師，主要研究方向為電力調度自動化、電力市場及繼電保護。

The Scheme and Design of Electric Energy Measurement Error Detection in New Digital Substation

Liu Zhongchen Zhu Ruimin
（State Grid Jinzhong Power Supply Company，Jinzhong，Shanxi 030600）

In the IEC 60044-7/8 standard and IEC 61850-9-2LE standards based，based on the standard of IEC 61850-9-2LE，fully consider the status of the digital substation，the hardware scheme of high-speed and stable，of analog and digital electrical to measurement error，can be very good to field test，the scheme ensures the calculation accuracy of data transmission，real-time and measurement accuracy.

IEC 61850； standard； digital substation； electric energy measurement

劉忠琛（1964-），男，高級工程師，大學本科，工學學士，主要從事電能計量技術與管理的研究工作。